Stage Di Fisica 2008
Laboratori Nazionali di Frascati
I.N.F.N.
I LNF sono stati costruiti nel 1955 e sono il più grande centro
dell’INFN.
L’istituto svolge attività di ricerca nel campo delle fisica
nucleare, sub-nucleare, e astroparticellare, studiando i
costituenti elementari della materia e delle forze che li tengono
uniti.
Indice:
Gruppo Stagisti:
Campus Mattia
Raggi X (Produzione e utilizzo)
Field Barbara
Rivelatori al silicio (Principi di funzionamento)
Garbo Valerio
DEAR
Guglielmi Simona
SIDDHARTA
Iacoponi Chiara
Analisi dati per SIDDHARTA
Maccari Vladimiro
Scali Beatrice
Esperienze di laboratorio:
->legge di Ohm (Verifica)
->Acquisizione e conversione dati
Tutors:
Scordo Alessandro
Diana Sirghi
Florin Sirghi
Raggi X
I raggi X corrispondono a quella porzione dello spettro
elettromagnetico con una lunghezza d'onda compresa
approssimativamente tra 10 e 10-3 nanometri (nm).
Produzione di raggi X
I raggi x vengono prodotti in appositi tubi radiologici che sono delle ampolle di
vetro sotto vuoto spinto nelle quali si applica una elevata differenza di
potenziale elettrico (decine di migliaia di volt).
Gli elettroni prodotti vanno così a
colpire ad alta energia un bersaglio
formato da un metallo pesante, in
genere tungsteno, il quale, per un
fenomeno fisico assai complesso
(eccitazione e diseccitazione
elettronica), emette radiazioni che
appartengono alla banda dei raggi x.
Interazione dei raggi X con la materia
Per capire come vengono rivelati i raggi X osserviamo l’interazione con la
materia.
Ci sono tre tipi di effetti
Effetto fotoelettrico
Effetto compton
Produzione di coppie
Rivelatori di Particelle
I rivelatori di particelle sono strumenti elettro-meccanici inventati per poter misurare i
deboli segnali prodotti da particelle atomiche e sub-atomiche.
Nel nostro caso parleremo di rivelatori di fotoni associati alla radiazione
elettromagnetica nello spettro dei raggi X.
I rivelatori di raggi X ci permettono di misurare l’energia della radiazione emessa.
In particolare noi utilizziamo rivelatori al silicio che sfruttano la formazione di coppie
elettroni – lacune al suo interno per formare un segnale elettrico proporzionale
all’energia dei fotoni incidenti.
Rivelatori al Silicio
Il Silicio intrinseco a temperatura ambiente non presenta caratteristiche conduttive
(pochi elettroni-lacune che si formano). Per aumentare la conduzione si utilizza il silicio
“DROGATO” cioè cristalli di silicio dove alcuni atomi sono stati sostituiti da altri elementi
rispettivamente del III e V gruppo
Il SILICIO drogato con Boro e chiamato
Il SILICIO drogato con Fosforo e
di TIPO P (positivo)
chiamato di TIPO N (negativo)
Giunzione P-N
Quando due semiconduttori diversi vengono messi
a contatto l'uno all'altro,
si realizza una struttura comunemente
indicata come "giunzione".
Questa situazione non è di equilibrio, in quanto gli
elettroni tendono a muoversi.
Se il polo positivo di un generatore è applicato alla zona
tipo N e quello negativo alla zona P, si dirà che la
giunzione è polarizzata inversamente. In questa
situazione si vengono a formare 2 bande.
Lungo queste bande fortemente inclinate, è molto facile
che le cariche acquistino, tra un urto e l'altro, energie
sufficienti a creare nuove coppie elettrone-lacuna.
DEAR
(Dafne Exotic Atoms Research)
E’ un esperimento che è stato ospitato agli LNF e studia gli atomi esotici.
ATOMO ESOTICO = atomo che ha al posto dell’elettrone un’ altra particella negativa.
Ad esempio:
Il KAONE dell’atomo esotico si
trova in stato d’eccitazione e non
è stabile.
idrogeno
idrogeno
kaonico
Per tale motivo, quando esso si diseccita, effettua delle transizioni radiative (in
particolare nel livello 1s) che emettono raggi X.
DEAR
(Dafne Exotic Atoms Research)
Nella misurazione delle transizioni, che avvengono per mezzo di rivelatori
al silicio vi sono tuttavia anche altre particelle indesiderate che disturbano
la misura e provocano RUMORE.
SINCRONO
Correlato alla creazione dell’atomo esotico.
ASINCRONO
Non correlato alla creazione dell’atomo esotico (DAFNE).
DEAR
(Dafne Exotic Atoms Research)
CCD
rivelatori al silicio utilizzati in DEAR
immagazzinano informazione sotto forma di carica elettrica
La carica elettrica che si sviluppa all’interno del CCD e’ dovuta al passaggio dei raggi X che crea coppie
elettrone-lacuna.
Anche nelle CCD si possono verificare RUMORI e, per evitarli, occorrono dei rivelatori simili che
possano utilizzare un TRIGGER.
Da DEAR al nuovo esperimento SIDDHARTA
(Silicon Drift detector for Hadronic Atom
Research by Timing Application)
Per questo motivo nasce l’esperimento SIDDHARTA che utilizza SDD (Silicon Drift
Detector) che sono rivelatori ad alta velocità
SDD
n
s
p
d
f
4
3
2
E2p
K
Lo scopo di Dear fu
1
quello di misurare
KkeV
= E2p1s
1
9
3
3
7
(
s
t
a
t
.
)6
(
s
y
s
t
.
)
e
V
}
E1s
Lo scopo di SIDDHARTA è quello di
portare l’errore totale entro qualche eV
DA DEAR A SIDDHARTA
1000
KpX (KEK)
M. Iwasaki et al, 1997
600
SIDDHARTA
0
-500
shift 1s [eV]
Misura dell’allargamento e dello spostamento della riga K
dell’ordine dell’eV
2.
0
Prima misura del deuterio kaonico
Bird et al, 1983
200
DEAR
Davies et al, 1979
400
•
Izycki et al, 1980
KpX
= - 323 ± 63 ± 11 eV
= 407 ± 208 ± 100 eV
width 1s [eV]
800
500
dell’idrogeno kaonico, con precisione
DATI DEL RIVELATORE
ANALISI DATI
Attraverso l’analisi dati e’ possibile
studiare le informazioni acquisite dal
rivelatore al fine di osservare lo
SPETTRO ENERGETICO, che
rappresenta graficamente la
distribuzione del numero di
particelle che formano la radiazione
in funzione della loro energia.
Il rivelatore fornisce pero’ il numero di eventi in relazione ai canali, pertanto per analizzare tale
spettro occorre effettuare una CALIBRAZIONE, che consiste nel determinare la quantita’ di
energia presente in ogni canale.
La risoluzione del rivelatore rappresenta il potere del rivelatore di distinguere tra 2
radiazioni con energia molto vicina.
Grazie al programma Origin
5.0 viene effettuato un “fit” dei
dati per ottenere una
distribuzione di Gauss che
caratterizza la forma di un
picco; in questo modo viene
eliminata la componente di
frenamento dell’elemento in
questione, che non deve
essere analizzato.
SPETTRO CALIBRATO CON LA SORGENTE DI Fe
Avendo analizzato dei dati provenienti da una sorgente
di Fe che decade in Manganese , abbiamo potuto
calibrare i canali attraverso la formula
La legge di Ohm esprime una relazione tra la
differenza di potenziale V (tensione elettrica) ai
capi di un conduttore e la corrente elettrica I che
lo attraversa. Sia R la resistenza del conduttore,
abbiamo:
Componenti elettronici
I componenti utilizzati nelle nostre esperienze di laboratorio sono:
resistenze
diodi
condensatori
Mentre gli strumenti di misura:
un
multimetro digitale
oscilloscopio
generatore
di tensione e generatore di segnale
Schema del Circuito
Nel circuito il voltmetro è inserito in
parallelo
mentre l’amperometro in serie.
Anche se l’amperometro e il voltmetro
possiedono una resistenza interna, queste
non influiscono sul calcolo della resistenza
Rx da determinare.
Per realizzare questa esperienza abbiamo
utilizzato i seguenti strumenti: un
generatore di tensione 0-30V, due
multimetri, due resistenze R1 e R2 di
valore incognito, cavi per il collegamento.
Rappresentazioni dei valori in
tabella
R1
V
4.0
5.1
6.5
8.0
9.5
11.1
14.0
16.0
18.3
25.30
1.20
1.40
1.50
1.61
1.74
2.16
2.62
2.83
3.40
(volt)
0.94
I
(mA)
R2
V
4.0
5.1
6.5
8.0
9.5
11.1
14.0
16.0
18.3
25.30
0.92
1.14
1.53
1.84
2.25
2.96
3.71
4.10
5.96
(volt)
0.65
I
(mA)
B
Data2B
4.0
3.5
3.0
I=V/R
I=aV
a=0,1527
R=1/a= 6,55K
I (mA)
a=1/R (mA/ )
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
5
10
15
V (volt)
20
Misura della resistenza
25
30
Acquisizione e conversione dati
Mediante l'ultilizzo di LabVIEW, di un USB 6009 Data
Acquisition Card e di un generatore di segnale si può ottenere
la conversione da un segnale analogico ad un segnale digitale.
Il sistema di acquisizione dati viene usato per ottenere un
segnale digitale che puo essere immagazzinato e riprodotto
su un computer.
Generatore del
segnale
USB 6009
“Computer”
Con LabVIEW creiamo due finestre chiamate Block
Diagram e Front Panel con le quali indichiamo i
passaggi necessari per ottenere una sinusoide che
rappresenta il segnale ottenuto dal simulatore.
Front panel
Abbiamo utilizzato poi al posto del
simulatore un walkman e attraverso la
Play Waveform abbiamo avuto la
possibilità di riprodurre il suono
ottenuto, abbiamo potuto sentire
qualche canzone.
Block Diagram
CONCLUSIONI
Quest’esperienza è stata da noi vissuta con molto
interesse perchè ci ha permesso di avvicinarci ad
alcuni settori della fisica che altrimenti non avremmo
mai avuto modo di conoscere; inoltre l’approccio
pratico agli argomenti, che purtroppo viene
generalmente a mancare nello studio scolastico della
materia, ci ha particolarmente coinvolto rendendo
concrete tante nozioni prima solo teoriche.
